盾构法联络通道密封垫设计及防水试验研究

朱瑶宏， 王靖禹， 董子博 ， 刘建国

(1. 宁波大学建筑工程与环境学院， 浙江 宁波 315211； 2. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804； 3. 宁波市轨道交通集团有限公司， 浙江 宁波 315100)

0 引言

冻结法作为一种有效的土体加固方法，在北京、上海、南京等城市的越江隧道及地铁隧道联络通道施工中取得了成功应用。但冻结法存在冻结过程中冻胀压力使隧道断面变形、冻结停止后融沉过大等缺点[1]。为解决这些问题，联络通道盾构法应运而生。盾构法施工具有工期短、成本低等优点。国内关于盾构法联络通道的建设目前尚无先例，技术上存在着诸多难题，如接缝防水等。联络通道一旦发生渗漏，势必会对其长期稳定造成恶劣的影响，因此有必要针对联络通道的接缝防水进行研究。

盾构法的管片接缝一般采用弹性密封垫防水设计[2]。现有弹性密封垫种类就材质而言可分为3类：三元乙丙橡胶(EPDM)、遇水膨胀橡胶(WSR)和复合型材质。国际上，德国一般采用三元乙丙橡胶，日本曾选择遇水膨胀橡胶密封垫来解决装配力过高的问题，但其长期耐久性等问题一直也是众多学者关注的焦点[3-4]。盾构法联络通道的管片尺寸小于主隧道管片，沟槽尺寸小，深度浅至4 mm。若采用EPDM，由于孔洞的存在，浅沟槽限制了EPDM密封垫的壁厚，薄壁会影响密封垫的防水性能，从而影响联络通道的安全。考虑到上述原因，经综合评估与论证，在宁波地铁3号线第1条联络通道工程中，选择遇水膨胀橡胶作为密封垫材质。已有大量学者对弹性密封垫的防水性能进行了研究，主要采用数值模拟与试验相结合的方式。贺腾飞等[4]通过有限元方法对复合型密封垫的压缩过程进行了二维模拟，并结合室内压缩试验数据，对复合型、三元乙丙橡胶密封垫的压缩性能进行了对比。何太洪等[5]通过有限元分析、水密性及压缩试验对密封垫接触应力和闭合压力之间的关系进行了分析。张子新等[6]设计了耐水压测试装置，结合密封垫力学性能试验和数值模拟，对错缝量与张开量在双道密封垫防水能力中的阶段性影响进行了讨论。然而既有文献的研究对象大多为EPDM和复合型密封垫，对宁波地铁3号线盾构法联络通道密封垫设计的指导作用有限。国内对于遇水膨胀橡胶密封垫的工程应用相对较少，20世纪80年代初曾在上海、广州、南京等地的部分隧道工程中使用过单道遇水膨胀橡胶类密封垫[7]，相关研究相对其他2种密封垫较少，对其防水特性的理解也不够深入。大塚正博[8]对遇水膨胀材料的耐久性进行过研究，刘建国[9]针对聚氨酯弹性体与遇水膨胀橡胶2种密封带，设计了相关试验装置，对不同张开量条件下两者的接触应力发展规律进行了分析。但对遇水膨胀橡胶密封垫的耐久性监控仍存在不足[8]，宁波地铁3号线盾构法联络通道工程针对耐久性问题也进行了专项研究，相关内容将另行研讨。综上，既有研究多基于盾构隧道的接缝防水，而盾构法联络通道作为一种新型的联络通道建造方法，其管片接缝处密封垫的设计无现成可行方案供参考。如何设计密封垫的断面形式，并保证其防水效果，是非常值得研究的课题。

本文以宁波地铁3号线第1条盾构法联络通道工程为依托，采用遇水膨胀橡胶密封垫作为联络通道管片的接缝防水措施，设计不同的密封垫断面方案进行比选，并结合数值模拟和室内试验对方案的防水能力进行验证。试验验证了盾构法联络通道采用矩形断面遇水膨胀橡胶密封垫的可行性，可为类似工程的密封垫设计提供参考。

1 盾构法联络通道小管片设计方案

1.1 联络通道小管片断面结构及洞门接头防水

在宁波轨道交通3号线盾构法联络通道工程中，主隧道管片内径5.5 m，外径6.2 m，厚0.35 m。联络通道管片内径2.65 m，外径3.15 m，厚0.25 m，小于主隧道管片，为了便于区分，将其称为联络通道小管片(以下简称为小管片)。小管片采用错缝拼装，环缝与纵缝均采用M24弯螺栓进行连接，管片分为5块，如图1所示。小管片具体参数见表1。

图1 联络通道小管片分块图(单位： mm)

表1 小管片参数

洞门接头处防水采用注浆+钢板封堵及后浇带防水设计，可有效解决接头处的密封防水问题。

1.2 沟槽断面方案

我国在双圆盾构隧道的工程实践中，也采用了遇水膨胀类密封垫的设计[10]，对本工程具有借鉴意义。参考双圆盾构的沟槽设计(见图2)，同时考虑到联络通道管片的尺寸相对较小，将沟槽断面方案设计为底部宽30 mm、口部宽36 mm、两侧高度分别为4 mm与2.5 mm，如图3所示。

图2 双圆盾构沟槽与密封垫设计断面(单位： mm)

图3 盾构法联络通道小管片沟槽断面(单位： mm)

1.3 防水性能指标

1.3.1 接缝张开量与错台量要求

由于联络通道外荷载的存在以及管片生产和施工时产生的误差，管片接缝处会发生张开与错台的现象，这对管片的防水能力有着直接影响。张子新等[6]认为： 弹性密封垫张开量最大值实际由隧道外荷载和纵向转向圆弧段等引起的张开量δ1、管片制作和实际拼装误差δ2以及邻近建筑物施工引起的张开量δ3组成。考虑到本工程联络通道不存在纵向转向圆弧段，也没有邻近建筑物施工，因而根据设计资料与工程实际要求，并结合管片沟槽尺寸限制，取耐水压力试验的接缝张开量为4 mm。为继续探讨张开量与耐水压力的关系，将试验的张开量分为4 mm、5 mm和6 mm 3种工况。

盾构隧道管片错台量一般取实际施工误差值以及长期不均匀沉降之和。参考文献[11]中隧道管片错台的构成，本工程联络通道管片错台量是由管片尺寸公差与机械拼装精度组成，取错台量为2 mm。

1.3.2 设防压力

本工程联络通道最大埋深约为20 m，考虑到宁波地区水文地质特点，将设防压力采用了3倍于隧道埋深的水压，即在前述接缝张开量与错台量情况下，防水能力达到0.6 MPa。

2 密封垫断面设计与方案比选

2.1 设计方案

2.1.1 方案断面形式

由于遇水膨胀橡胶本身材料的复杂性，对其止水机制与止水能力等还没有非常明确的认识[12]。在进行密封垫断面的设计时，主要考虑： 1)密封垫面积小于沟槽面积； 2)密封垫底部宽度尽量与沟槽底部宽度一致，以减少沟槽内由于人为粘贴误差产生的错台。因此，基于工程实际设计了4种遇水膨胀密封垫断面(见图4)进行比选。

(a) 阴阳凹凸断面

(b) 圆形孔洞断面

(c) 梳形断面

(d) 矩形断面

2.1.2 阴阳凹凸断面

该方案将一侧密封垫设置凸起，另一侧水平，以使在满足底部宽度与沟槽底部宽度相平的同时，尽可能增大密封垫之间的接触面积，如图4(a)所示。

2.1.3 圆形孔洞断面

借鉴三元乙丙密封垫中的设计理念，在遇水膨胀橡胶中通过设置圆形孔洞，从而满足面积率的要求，如图4(b)所示。

2.1.4 梳形断面

将遇水膨胀密封垫设计为“梳形”，一方面可以使密封垫底部卡在沟槽之内，另一方面也可使密封垫面积小于沟槽面积，如图4(c)所示。

2.1.5 矩形断面

大塚正博[8]提出了一种遇水膨胀密封垫断面的设计方法。该方法假设密封垫防水压力与施工期和运营期2个阶段有关，在计算中考虑了密封垫的自封现象和盾构张开与错台量的影响。基于该方法，设计了矩形断面方案，如图4(d)所示。

2.2 方案比选

从工程实践与生产可行性角度出发，对4种设计断面的优缺点进行总结评判。从加工难度、质量控制以及防水性能等角度对各断面进行比选，结果如表2所示。

表2 4种密封垫设计断面优缺点比较

遇水膨胀橡胶密封垫一般采用模具热压成型，若其截面设计孔洞，模具会极为复杂，增加了加工难度，降低产品质量的可靠性与生产效率。从这一角度出发，圆形孔洞断面与梳形断面加工难度相对较大，生产精度难以控制，而且在日本几十年的应用案例中，都未见此类方案。因此，圆形孔洞与梳形2种断面可行性不高，将阴阳凹凸断面以及矩形断面作为备选方案，再通过比较，从两者中选择防水性能较优的一种。

3 2种断面防水能力有限元分析

3.1 有限元模型及计算参数设置

针对前述设计的阴阳凹凸断面与矩形断面，利用Abaqus/Explicit计算模块建立二维模型进行计算分析，建立的模型如图5所示。由于混凝土的刚度远大于橡胶的刚度，故在计算时将管片沟槽视为刚体。遇水膨胀密封垫赋以超弹性材料，采用Mooney-Rivlin模型进行模拟，依据橡胶密封垫材料获得相应的C10和C01参数[4,13]，具体参数如表3所示。计算工况设为压缩与膨胀2个阶段，模拟密封垫在拼装时产生的压缩状态以及施工完毕之后遇水发生膨胀的状态。橡胶膨胀率为250%时，其膨胀的过程考虑为完全膨胀，不考虑因部分遇水而产生部分膨胀的影响，通过设置温度场进行模拟。上下密封垫表面之间以及密封垫表面与沟槽表面之间分别设置接触对。在约束的设置方面，密封垫与沟槽之间设置为耦合约束，下部沟槽采用固定约束，通过调节上下沟槽的相对位置模拟不同的张开错台量。

(a) 矩形断面

(b) 阴阳凹凸断面

表3 遇水膨胀橡胶的Mooney-Rivlin参数

3.2 接触应力分布

密封垫接触面上的接触应力可以有效地反映密封垫的防水性能。以下部密封垫的左上角点作为原点(图5中O点)，对2种断面压缩阶段与膨胀阶段中上下密封垫接触面上各网格单元节点的竖向接触应力(以下均称为接触应力)进行统计，结果分别如图6和图7所示。

(a) 矩形断面

(b) 阴阳凹凸断面

由图6和图7可见：

1)对于矩形断面，随着张开量的增大，压缩与膨胀2个阶段中的接触应力均减小。这是由于张开量越小，密封垫的初始压缩量越大，则接触面的初始接触应力也越大。在压缩阶段中，由于错台量的存在，原点附近的接触应力较小，其余部分的接触应力则大致相同；在膨胀阶段中，密封垫发生膨胀，接触应力逐渐增加，接触面的中部产生的接触应力最大，接触应力水平由中部向两侧逐渐递减。

2)对于阴阳凹凸断面，随着张开量的增加，压缩与膨胀2个阶段中接触应力也呈现减小的趋势，这是由于初始压缩量不同造成的。在压缩阶段中，阴阳凹凸断面的接触应力在凸起处达到峰值； 膨胀之后，接触应力也在凸起处达到峰值。

3)此外，张开量为6 mm时，上下2个密封垫压缩后，接触面之间仍存在空隙，无法相互接触。因此该工况下，压缩阶段2种断面的接触应力均为0 MPa。

3.3 2种断面接触应力比较

本文从接触面上的最大接触应力与接触面平均应力2个角度对接触应力进行考虑。吴挺[14]认为： 上下密封垫断面上各位置点的最大主压应力的加权平均值可作为整个断面的初始压应力水平。采用吴挺的研究方法，将该加权平均值作为接触面平均应力。

接触面平均应力计算公式如下：

式中:Si为第i个单元的面积；σmax为第i个单元积分点的主压应力。

对于压缩阶段，密封垫接触应力计算结果如表4与图8所示。

对于膨胀阶段，密封垫接触应力计算结果如表5与图9所示。

表4 压缩阶段各工况下2种断面密封垫接触应力

图8 膨胀阶段2种断面接触应力计算结果

表5 膨胀阶段各工况下2种断面密封垫接触应力

图9 膨胀阶段2种断面接触应力计算结果

上述计算结果表明，在压缩与膨胀阶段中，矩形断面的最大接触应力与平均接触应力均大于阴阳凹凸断面，证明矩形断面较阴阳凹凸断面的防水能力更优，因此将矩形断面作为备选方案。矩形断面的最大接触应力与平均接触应力水平都随着张开量的增加而递减，且均大于1 MPa。在水的自封作用对密封垫防水性能影响的研究中，刘建国等[15]研究得到： 在理想状态下(无限实心长条密封垫)，密封垫的防水压力就是密封垫的接触压力，一旦水压超过接触压力，密封垫就会渗漏。数值计算表明该矩形断面能够承受0.6 MPa的水压，达到防水指标要求。

4 矩形断面密封垫防水效果试验

在上述讨论中，已针对矩形断面进行研究。欲完全确定该断面的防水性能，还需通过室内试验加以验证。根据管片沟槽尺寸，设计了“一”字缝耐水压力试验装置。

4.1 试验设备及试验步骤

“一”字缝耐水压力试验装置如图10所示。连接试验设备后，将待测试件(试件的性能指标如表6所示)装入沟槽中，用盾构隧道密封垫专用胶将遇水膨胀密封条粘贴于沟槽的底部。放置12 h后，调整实验台动板，将其固定至相应的张开量与错台量。设置好张开、错台量之后进行分级加载，每次加压0.05 MPa，压力稳定后保压5 min，达到防水指标压力(0.6 MPa)后至少保持2 h。然后继续加压，直至密封垫漏水，记录其漏水时的水压力值。

(a) 试验装置连接

(b) “一”字缝试验模具

表6 试验用遇水膨胀密封垫性能指标

需要注意的是，由于遇水膨胀密封条长度小于沟槽断面长度，在设定的张开错台量情况下，容易发生因粘贴失误引起的人为错台现象，在最极端情况下，搭接长度仅有6 mm(见图11)，严重影响防水能力。针对该问题，在粘贴遇水膨胀密封条时，将其粘贴于沟槽外侧，内侧粘贴普通软泡沫，可有效消除由于粘贴失误导致上下密封垫搭接长度过短的问题(如图10(b))所示。此处普通软泡沫的强度相对密封条可以忽略不计，只起定位作用，不会对密封条造成破坏。

图11 粘贴误差导致的人为误差 (单位： mm)

4.2 试验结果

为探究密封垫在规定张开错台量工况下直接测定的耐水压力与密封垫遇水膨胀一段时间后的耐水压力的差别，对各张错量工况下的试验组分别进行了2次试验。第1次试验为使用前述方法直接测定其耐水压力； 第2次试验为在水压达到0.6 MPa后，保压48 h，然后再次测定其耐水压力。试验结果如表7所示。

表7 各工况下耐水压力试验结果

将耐水压力试验结果与有限元计算结果对比，结果如图12所示。可见： 二者的规律与量值均较为接近，使用有限元方法基本可以达到判断遇水膨胀密封垫防水能力的目的。在错台量均为2 mm的情况下，随着张开量的增大，遇水膨胀前耐水压力从2.1 MPa减小至1.1 MPa； 而在保压48 h之后，耐水压力从2.3 MPa减小至1.8 MPa，但均大于0.6 MPa的防水指标，说明该断面在接缝张开量为4～6 mm的工况下均能满足相应的防水要求。

图12 耐水压力试验结果与有限元计算结果对比

此外，对比是否保压48 h的2次试验的耐水压力，可以看出保压48 h的耐水压力明显增加，表明遇水膨胀密封条在充分吸水膨胀后可以提高密封垫与沟槽之间以及密封垫之间的接触应力，从而增大防水压力。同时对比上下2条曲线可以发现，接缝张开量较大时，进行48 h保压之后提高的耐水压力要大于接缝张开量较小时。这是因为未经保压时，接缝张开量较大组试验的密封垫还未产生足够的膨胀，接触应力较小；而经过保压后，密封垫吸水产生膨胀，体积迅速增大，接触应力迅速上升，使耐水压力迅速提高。

5 现场密封垫布设方法

将19 mm×7 mm矩形断面遇水膨胀密封垫应用于宁波地铁盾构法联络通道的施工中，并在粘贴密封垫时，利用普通软泡沫条进行定位，降低人为粘贴造成的错动量(见图13)。根据施工现场反馈结果，联络通道内防水效果良好，无任何渗漏水情况发生。

图13 施工现场密封垫粘贴情况

6 结论与讨论

1)将遇水膨胀橡胶作为密封垫材料时，由于材料硬度低、质软，应简化密封垫断面形式，使生产简便，尽量避免采用在橡胶上开孔的断面形式。

2)借助有限元方法对矩形断面、阴阳凹凸断面2种密封垫的接触应力进行计算，结果表明接触应力与张开量有关，接触面最大接触应力与平均接触应力均随着张开量的增加而减小。在同等张开、错台量下，不论是密封垫压缩阶段还是膨胀阶段，本文试验设计的矩形断面的密封垫接触应力大于阴阳凹凸断面密封垫。

3)“一”字缝耐水压力试验结果表明，错台量为2 mm时，随着张开量的增大，耐水压力逐渐减小，但均大于0.6 MPa的防水指标，证明矩形断面遇水膨胀密封垫在接缝张开量为4～6 mm时满足0.6 MPa防水要求。密封垫保压48 h之后，耐水压力具有明显提升，且张开量越大，提升幅度越大。将有限元计算结果与耐水压力试验结果进行对比，发现两者有近似的规律与量值，证明了有限元方法模拟遇水膨胀密封垫的防水能力具有一定的适用性。

4)在联络通道施工现场采用矩形断面密封垫，并在粘贴时利用普通软泡沫条进行定位，降低人为粘贴错动量。现场监测显示防水效果良好，无任何渗漏水情况发生。

5)主隧道管片与联络通道管片的防水设计有所不同，两者接头处的特殊连接也是盾构法联络通道工程中关键的部分。本文未对前述问题展开讨论，将在后续的研究中进行详细分析。